Zwycięstwa i klęski w grach SARS-CoV-2 z układem odpornościowym

Immunolog i mikrobiolog prof. dr hab. n. med. Janusz Marcinkiewicz, kierownik Katedry Immunologii Collegium Medicum Uniwersytetu Jagiellońskiego, oraz dr n. med. Tomasz Stokłosa z Zakładu Immunologii Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego, kierownik Pracowni Biologii i Genetyki Molekularnej Uniwersyteckiego Centrum Klinicznego WUM, wskazują główne elementy przebiegu zakażenia SARS-CoV-2 i odpowiedzi immunologicznej na poziomie klinicznym i molekularnym.

We krwi chorych na COVID-19 obserwuje się charakterystyczne dla zakażenia wirusowego zmiany immunologiczne: podwyższony poziom komórek produkujących przeciwciała ASC (aktywowanych limfocytow B), aktywowanych limfocytów pomocniczych T CD4+ i limfocytów cytotoksycznych T CD8+ oraz przeciwciał IgM i IgG, komponentów układu immunologicznego, które wiążą SARS-CoV-2. Utrzymują się one kilka dni po ustaniu objawów. To jeden z wielu opisów immunologów doświadczalnych w rozpoznawaniu patomechanizmów zakażenia i odporności przeciwwirusowej, informacji kluczowych dla poszukiwania szczepionki i leków na COVID-19.

Odpowiedź immunologiczna w COVID-19
Artykuł grupy naukowców z Australii kierowanych przez dr K. Kędzierską opisujący cechy odpowiedzi immunologicznej u osoby zakażonej, u której choroba nie miała ciężkiego przebiegu i doszło do wyleczenia, zainspirował dr. Stokłosę do postawienia hipotezy, że tak właśnie przebiega zakażenie SARS-CoV-2 u większości ozdrowieńcow. „U chorej na Covid-19, u której rozwinęła się skuteczna odpowiedź immunologiczna, zaobserwowano typowe cechy aktywacji odpowiedzi immunologicznej, komórkowej i humoralnej. Wystąpiły znane cechy aktywacji układu odpornościowego i masywna ekspansja klonalna limfocytów TC”. Jako immunologa dr. Stokłosę interesowało, czy przebieg zakażenia SARS-CoV-2 i reakcja ze strony układu odpornościowego były typowe czy wyjątkowe na tle innych infekcji wirusowych. „W zakażeniach wirusowych do skutecznej eliminacji niezbędna jest odpowiedź komórkowa, z limfocytami T cytotoksycznymi jako ramieniem efektorowym. Odpowiedź humoralna w zakażeniach wirusowych pełni istotną rolę w odpowiedzi wtórnej, chroniąc nas przed powtórnym zakażeniem, ale dopiero po przechorowaniu zakażenia (lub po otrzymaniu skutecznej szczepionki)” – napisał dr Stokłosa. Przypomniał też, że zazwyczaj mechanizmy odporności nieswoistej – komórki NK czy interferony – nie są wystarczające w przypadku zakażenia nowym wirusem. „Układ odpornościowy musi rozwinąć swoistą odpowiedź ze strony limfocytów T cytotoksycznych – TC, mających zdolność do rozpoznania peptydu pochodzącego z wirusa na powierzchni zakażonej komórki, a konkretnie w rowku MHC klasy I, czyli cząsteczki głównego układu zgodności tkankowej. Wszystkie nasze komórki mają na swojej powierzchni takie cząsteczki, a jeśli dojdzie do zakażenia wirusem, obligatoryjnym pasożytem wewnątrzkomórkowym, to białka wirusowe (podobnie jak białka komórkowe) są cięte w proteasomie na krótkie peptydy i dostają się do szlaku prezentacji antygenów endogennych w MHC klasy I. Dopiero wtedy nasze limfocyty mają szansę rozpoznać zakażoną komórkę i zniszczyć ją, wydzielając ziarnistości o charakterze cytolitycznym lub aktywując w takiej komórce programowaną śmierć, czyli apoptozę, przez receptory takie jak FAS. Równolegle do rozwijania się odpowiedzi komórkowej rozwija się odpowiedź humoralna, oparta najpierw o typowe dla odpowiedzi pierwotnej przeciwciała IgM, które następnie są przełączane na inne klasy, w przypadku zakażenia wirusem obecnym w krwi będą to głownie IgG. Co ważne, odpowiedź humoralna w zakażeniach wirusowych najczęściej jest kluczowa w odpowiedzi wtórnej, czyli zabezpiecza nas po przechorowaniu zakażenia (lub po otrzymaniu skutecznej szczepionki). Aby doszło do rozwoju skutecznej odpowiedzi immunologicznej, potrzebna jest sekwencja zdarzeń (kilkadziesiąt godzin, najczęściej kilka – kilkanaście dni), co stanowi zasadniczy problem, jeśli w tym czasie wirus sparaliżuje kluczowe dla życia procesy, jak oddychanie”2.

Płuca – cel wirusa
– Patomechanizm wirusa SARS-CoV-2 wywołującego COVID-19 jest przedmiotem wielu analiz – opublikowano już ok. 10 tys. prac na temat COVID-19. Zdarza się jednak, że analizują one jeden przypadek – mówi prof. Marcinkiewicz. – Patomechanizm ten jest dość dobrze poznany także dzięki analogiom COVID-19 do innych zakażeń wirusowych powodowanych przez SARS-CoV(-1) lub MERS-CoV, a także przez wirusa ebola. Dzieli z nimi zdolność do niekontrolowanej aktywacji układu odpornościowego i masywnego odczynu zapalnego. Koronawirus SARS-CoV-2 szybko się namnaża na nabłonku górnych dróg oddechowych, gwałtownie przedostaje się do dalszych narządów, a pacjenci umierają na skutek burzy cytokinowej, czyli nadmiernego uwalniania mediatorów odczynu zapalnego, prowadzącej do krytycznego stresu oksydacyjnego i zakrzepicy – wyjaśnia.

Po przeanalizowaniu wielu prac naukowych pod kątem wiremii w COVID-19 okazało się, że wirusa wyizolowano we krwi tylko u 1 proc. pacjentów. Profesor Marcinkiewicz uważa, że może to wskazywać na to, że droga wiremii (namnażania się wirusa we krwi) dla SARS-CoV-2 nie jest najistotniejsza. Po namnożeniu w górnych drogach oddechowych zakaża on ich dolne partie: oskrzela, oskrzeliki i pneumocyty typu 2 w pęcherzykach płucnych – i to płuca są jego celem. Wiadomo, że białko S1 koronawirusa przyłącza się do komórek z wysoką ekspresją konwertazy angiotensyny 2 (ACE2), a taki receptor mają komórki w przedsionku nosa, na spojówkach, w nosogardzieli, w pneumocytach typu 2, a także w jelitach. Pneumocyty ulegają uszkodzeniu, pęcherzyki płucne zapadają się, pojawia się odczyn zapalny, a wysięk w pęcherzykach płucnych dosłownie je topi. Dochodzi do powstania bariery pomiędzy powietrzem wchodzącym przez drogi oddechowe do pęcherzyków płucnych a krążeniem płucnym i do zablokowania wymiany tlenowej. Osoba młoda, nieobciążona innymi chorobami, w przypadku śródmiąższowego zapalenia płuc, gdy ma uszkodzonych ok. 30 proc. pęcherzyków płucnych, może oddychać samodzielnie lub ze wsparciem tlenoterapii. Osoba starsza z chorobami współistniejącymi płuc, np. z przewlekłą obturacyjną chorobą płuc, ma płuca wyłączone w większym stopniu z wymiany tlenowej – dusi się, a brak usuwania z krwi dwutlenku węgla prowadzi do ciężkiej kwasicy. Możliwość wystąpienia zespołu ostrej niewydolności oddechowej (acute respiratory distress syndrome – ARDS) zależy więc m.in. od stanu tkanki płucnej i masywności zakażenia wirusowego. Pacjent chory na COVID-19 mający choroby współistniejące nie umiera z ich powodu, ale na skutek ARDS.

Rola odporności wrodzonej
Według prof. Marcinkiewicza z obserwacji obecnej pandemii (badań chorych i ozdrowieńców) wynika, że kluczowe będzie poznanie poziomu wydzielniczych przeciwciał klasy IgA skierowanych przeciwko białku S1 wirusa, które łączy się z ACE2. Obecność tych przeciwciał w wydzielinach błon śluzowych blokuje adherencję wirusa do nabłonka i sprawia, że nie dochodzi do zakażenia. W każdym zakażeniu wirusowym mechanizm odporności wrodzonej doprowadza do odczynu zapalnego, uwalniania interferonów typu I (IFNαβ) i aktywacji komórek NK, co umożliwia zlikwidowanie miejscowego zakażenia. – Patogen jest rozpoznawany dzięki pobudzeniu receptorów TLR znajdujących się na nabłonku i na komórkach dendrytycznych układu odpornościowego, które mają za zadanie informować limfocyty B i T o inwazji patogenu – tłumaczy prof. Marcinkiewicz. W przypadku koronawirusow są to receptory TLR7 i TLR8 rozpoznające wirusowe RNA. Białka wirusowe są natomiast rozpoznawane przez receptory TLR2 i TLR4. W trakcie infekcji SARS-CoV-2 poziom tych receptorów spada. Dodatkowo wykazano, że ich ekspresja jest mniejsza u osób starszych. Kiedy pacjent nie ma swoistych przeciwciał i swoistych limfocytów T cytotoksycznych, zakażenie SARS-CoV-2 jest groźne, ponieważ jeżeli nie poradzi sobie z nim odporność wrodzona, może przejść w ciężkie zapalenie płuc (ARDS).

Niekontrolowany odczyn zapalny
Dlaczego w COVID-19 śmiertelność osób zakażonych wzrasta z wiekiem?

– Z analizy przyczyn zgonów z typową charakterystyką pacjenta: „powyżej 65. roku życia, z chorobami współistniejącymi” wiadomo, że choroby współistniejące zwiększają ryzyko nadmiernego odczynu zapalnego, z którym wiąże się burza cytokinowa – patologiczna reakcja układu immunologicznego. W medycynie opisanych jest szereg schorzeń, w których ona występuje – tłumaczy ekspert.

Przewlekły albo nadmierny odczyn zapalny nie likwiduje zapalenia, ale uszkadza tkanki z powodu olbrzymiej ilości rożnych substancji toksycznych, m.in. niebezpiecznej ilości reaktywnych form tlenu produkowanych przez komórki układu immunologicznego (neutrofile, makrofagi). Konsekwencją niekontrolowanego odczynu zapalnego jest stres oksydacyjny. On z kolei stymuluje komórki odczynu zapalnego do dalszej produkcji cytokin. U pacjentów z COVID-19 wykrywa się przede wszystkim IL-6 i czynnik martwicy nowotworów a (TNF-a). Powstaje błędne koło. Stan burzy cytokinowej towarzyszy niektórym autozapalnym schorzeniom uwarunkowanym genetycznie, w których dochodzi do autostymulacji grupy białek nazywanej inflamasomem. W COVID-19 występuje inny mechanizm aktywacji hiperodczynu zapalnego. W zakażeniach wirusowych czy bakteryjnych, w których miejscowy ostry odczyn zapalny jest kontrolowany przez mechanizmy przeciwzapalne, naciekające neutrofile po skutecznej fagocytozie patogenu ulegają apoptozie i są eliminowane przez makrofagi, a odczyn zapalny wygasa. W wypadku burzy cytokinowej nie dochodzi do apoptozy neutrofilow. We krwi osób z ciężką postacią choroby, ale też w badaniu histopatologicznym tkanki płucnej pacjentów zmarłych na COVID-19 po zapaleniu śródmiąższowym stwierdza się olbrzymią ilość neutrofilow, które uległy NETozie (inna niż apoptoza śmierć komórki). Podczas NETozy powstaje NET (neutrophil extracellular trap), gdzie wraz z „wysypującym się” na zewnątrz komórki neutrofilu DNA uwalniają się toksyczne enzymy, np. elastaza, która uszkadza tkankę płucną. Ponadto dochodzi do powstania mikrozakrzepow w krążeniu płucnym.

Wiek a sprawność układu immunologicznego
Wśród przyczyn ciężkiego przebiegu COVID- 19 i zgonów z powodu tej choroby u osób powyżej 65. roku życia prof. Marcinkiewicz wymienia też niewydolność starzejącego się układu odpornościowego (immunosenescencja), m.in. na skutek zmniejszenia się ekspresji receptorów TLR (gorsze ostrzeganie ustroju o wtargnięciu „obcego”), a w trakcie zakażenia z powodu zmniejszenia ilości interferonu typu 1 oraz niskiej ekspresji receptorów TLR na komórkach dendrytycznych prezentujących antygen (od nich zależy jakość nabytej odpowiedzi immunologicznej w postaci produkcji przeciwciał czy limfocytów T cytotoksycznych). Do tego wraz z wiekiem spada zdolność wygaszania stanu zapalnego (inflammaging). Na skutek starzenia się komórek organizmu coraz więcej z nich ulega śmierci i jest eliminowanych przez komórki układu immunologicznego (aktywowane makrofagi tkankowe). Procesowi eliminacji towarzyszy praktycznie we wszystkich narządach subkliniczny, bezobjawowy stan przewlekłego zapalenia – niejako tli się synteza TNF-a, IL-6 i innych mediatorów zapalenia. Inflammaging powoduje, że u osób starszych łatwiej dochodzi do nadmiernego stanu zapalnego. W COVID- 19 prowadzi to do burzy cytokinowej w tkance płucnej i ARDS, a ryzyko śmierci wzrasta gwałtownie wraz z wiekiem. Dlatego sensacyjne były medialne doniesienia o wyzdrowieniu osób w wieku powyżej 100 lat, ale jak uważa prof. Marcinkiewicz – nie sensacyjne immunologicznie. Na podstawie doniesień naukowych na temat układu immunologicznego u osób 100-letnich i starszych wiemy, że ci, którzy dożywają takiego wieku, mają genetycznie zaprogramowany wyjątkowy układ immunologiczny. Nie dopuszcza on u nich do powstania chorób autoimmunizacyjnych, nowotworowych itd. Stulatkowie mają niespodziewanie niski poziom zapadalności na nowotwory – 6 proc. vs 26 proc. w populacji „przeciętnie długo żyjącej”, bardzo wysoką liczbę limfocytów T cytotoksycznych oraz wysoki poziom cytokin przeciwwirusowych (interferonów). Dzięki temu mają większe szanse na pokonanie powikłań infekcji wirusowych w porównaniu z osobami w wieku 70–90 lat. Z kolei u dzieci (nieobciążonych genetycznie uwarunkowanym niedoborem odporności) układ immunologiczny jest bardzo sprawny. Mają one bardzo wysoki poziom receptorów TLR (ostrzeżenie o zakażeniu i zablokowanie wirusa u wrót zakażenia) i rzadko dochodzi do systemowego zakażenia. Nie mają potencjalnego zagrożenia powstaniem burzy cytokinowej. Ale u dzieci pod wpływem zakażenia wirusowego może dojść do zapalenia małych naczyń krwionośnych, co manifestuje się zespołem objawów choroby Kawasakiego. Są takie doniesienia związane z pandemią COVID-19 u kilkorga dzieci w Nowym Jorku.

Odporność populacyjna kluczem do zwycięstwa
Nie ma na razie leków swoiście blokujących replikację koronawirusa SARS-CoV-2 ani skutecznie kontrolujących objawy nadmiernego stanu zapalnego w przebiegu COVID-19. Wobec nieskuteczności przeciwzapalnie działających kortykosteroidow, w tym wypadku mających negatywny wpływ na naprawę tkanek w płucach, naukowcy szukają innych związków. Doktor Patrick Couvreur z Institut Galien Paris- Sud próbuje powstrzymać hipercytokinemię adenozyną – endogennym nuklozydem, którego analogiem jest remdesiwir, podając ją w bezpieczniejszej postaci biokombatybilnych wielkocząsteczkowych nanocząsteczek. Jednym z głównych zadań naukowców jest znalezienie leków przeciwwirusowych oraz blokujących sprzężenie zwrotne między nadmiernym stanem zapalnym a uwalnianiem reaktywnych form tlenu (stres oksydacyjny) w COVID-19. Profesor Marcinkiewicz sądzi jednak, że kluczowe dla opanowania pandemii będzie uzyskanie odporności populacyjnej (stadnej). Jeżeli nie chcemy powtórki z pandemii grypy hiszpanki w latach 1918–1920, konieczne będą masowe szczepienia. Naukowcy – wirusolodzy, immunolodzy, ale także psycholodzy – ostrzegają, że nawet wynalezienie i wyprodukowanie skutecznej i bezpiecznej szczepionki nie zlikwiduje pandemii, jeżeli nie powstrzymamy coraz bardziej aktywnych ruchów antyszczepionkowych. Specjaliści obawiają się, że ruchy antyszczepionkowe mogą znacząco utrudnić zakończenie pandemii koronawirusa SARS-CoV-2. Badania sieci społecznościowych wykazały, że antyszczepionkowcow jest niewielu, jednak ich propaganda ma bardzo szeroki zasięg, a liczba ich zwolenników rośnie. Konieczna jest edukacja społeczeństwa – media powinny wyjaśniać, że immunoprofilaktyka w postaci masowych szczepień pozwoli na ochronę jednostek przed zakażeniem, a społeczeństwa przed rozwojem epidemii, o ile odporność populacyjna uzyska poziom 70–90 proc.

Przeczytaj także: „Prof. Tomasiewicz: Pacjentów z COVID-19 musimy leczyć już dzisiaj”.

Tekst opublikowano w „Kurierze Medycznym” 2/2020. Czasopismo można zamówić na stronie: www.termedia.pl/km/prenumerata.